TOKIO–Toshiba elektronisch Devices & Storage Corporation (“Toshiba”) heeft een nieuwe SiC ontwikkeld MOSFET ^[1] apparaatstructuur die tegelijkertijd een hogere betrouwbaarheid bij hoge temperaturen en een lager vermogensverlies bereikt. In een 3300V-chip bij 175℃^[2], een stroomniveau dat meer dan het dubbele is van dat van Toshiba's huidige structuur, werkt de nieuwe structuur zonder enig verlies van betrouwbaarheid, en vermindert het ook de specifieke aan-weerstand bij kamertemperatuur met ongeveer 20% voor een 3300V-chip en 40% voor een 1200V-chip. ^[3]

Siliciumcarbide (SiC) wordt algemeen gezien als het materiaal van de volgende generatie voor stroomapparatuur, omdat het hogere spanningen en lagere verliezen levert dan silicium. Hoewel SiC-stroomapparatuur nu voornamelijk wordt gebruikt in omvormers voor treinen, is een bredere toepassing in het verschiet, ook in fotovoltaïsche energiesystemen en de energiebeheersystemen van industriële apparatuur. Het gebruik en de marktgroei van SiC-apparaten werden echter afgeremd door betrouwbaarheidsproblemen. Een probleem is de uitbreiding van kristaldefecten wanneer stroom door de PN-diode vloeit ^[4] gepositioneerd tussen de source en drain van een power MOSFET, wat de aan-weerstand verhoogt en de betrouwbaarheid van het apparaat verslechtert.

Toshiba heeft een nieuwe apparaatstructuur ontwikkeld, een MOSFET met een ingebouwde Schottky-barrièrediode ^[5] (SBD) die vooruitgang hebben geboekt bij het oplossen van dit probleem. Dit werd gemeld op PCIM Europe 2020, een internationale mogendheid Halfgeleider conferentie ^[6], en in augustus 2020 in producten geïntroduceerd. Die structuur voorkomt de werking van de PN-diode door een SBD parallel aan de PN-diode in de MOSFET te plaatsen; de embedded SBD heeft een lagere aan-status spanning dan de PN-diode, en er stroomt stroom doorheen, waardoor veranderingen in de aan-weerstand worden onderdrukt.

Die structuur kan echter slechts een beperkte stroomdichtheid aan bij hoge temperaturen van 175 of meer. Versnelde acceptatie van SiC-apparaten vereist SiC-apparaten die een hoge stroomcapaciteit en hoge betrouwbaarheid bij hoge temperaturen behouden.

De nieuwe structuur is een wijziging van het SBD-ingebedde MOSFET-apparaat, bereikt door een proceskrimp van 25% toe te passen en het ontwerp te optimaliseren om de onderdrukking door de SBD van stroom in de PN-diode te versterken. Hierdoor is een 3300V-chipstructuur gerealiseerd met meer dan het dubbele van de stroomdichtheid bij 175℃ in vergelijking met de huidige structuur van Toshiba zonder verlies van betrouwbaarheid. De structuur vermindert ook de specifieke aan-weerstand met ongeveer 20% in een 3300V-chip en ongeveer 40% in een 1200V-chip bij kamertemperatuur.

Details van deze prestatie werden gerapporteerd op PCIM Europe 2021 en het door de IEEE gesponsorde International Symposium on Power Halfgeleider Apparaten en IC's 2021 (ISPSD 2021), beide online gehouden.

Toshiba is begonnen met het verzenden van monsters van een SiC-stroomvoorziening van de klasse 3.3 kV module met de nieuwe structuur in mei van dit jaar.